基于層次分析法的隧道工程設計階段施工安全風險評估

唐中華 汪浙民 程運信 廖雅杰 繆燕兵

（1.浙江交投高速公路建設管理有限公司，浙江 杭州 310016；2.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310052；3.北京中交華安科技有限公司，北京 100088；4.重慶交大交通安全科技研究院有限公司杭州分公司，浙江 杭州 311215）

責任編輯/曹晶磊 美術編輯/王德本

一、隧道基本情況

（一）隧道基本設計參數

某隧道類型為單洞（A型），起訖樁號k9+485～k13+225，隧道長度為3785m，隧道凈寬10m，凈高5m，進出口洞門形式均為偏壓式。

（二）地形地貌

項目所在區域屬構造侵蝕剝蝕中低山地貌，地勢總體西高東低，河谷和山脈多呈北東及北西向發育，山體高程以400m～1000m為主。項目區內海拔高程約1216m，最低點位于北西側的沖洪積平原，海拔高程約160m，相對高差約1050m。地形坡度一般為15°～40°，局部達45°以上。地表植被發育以雜木為主。

根據地貌成因、地質巖性特征、外力作用等特點可將區域地貌形態分成堆積平原區（Ⅰ）、侵蝕剝蝕中低山丘陵區（Ⅱ）兩大地貌分區和沖洪積平原（Ⅰ1）、坡洪積平原（Ⅰ2），侵蝕低山亞區（Ⅱ1）及剝蝕丘陵亞區（Ⅱ2）4個亞區。

隧道所在區域屬低山斜坡地貌，地形起伏大，地表植被發育，多為灌木、松木、杉木等，地表覆蓋層較薄，基巖露頭條件較好。

（三）工程地質

隧道起訖樁號為k9+485～k13+270，位于線路k0+000～k13+325段，該段多在侵蝕中低山區上行進，跨越的地貌單元主要為侵蝕中低山間夾沖洪積平原、坡洪積溝谷及斜地等地貌單元。其中k6+455～k13+225段山高坡陡，坡度一般在30。～50。，山脊較尖棱，溝谷深切，殘坡積層較薄，多見基巖出露，巖性以凝灰巖為主，巖石受構造影響程度較低，總體地質構造不發育，巖質堅硬，山脊風化一般較強，工程地質條件較好。

隧道圍巖為下白堊統大爽組晶屑凝灰巖、變粒巖，燕山晚期霏細斑巖。地表第四系覆蓋層薄，強風化巖出露。出洞口上覆殘坡積含黏性土角礫，厚3m～4m，下伏全風化變粒巖。總體場地工程地質條件較好，水文地質條件較簡單，可自然排水，圍巖質量較好，洞身為Ⅱ級～Ⅳ級，進出洞口以Ⅴ級為主。

(四）氣象

隧址內低海拔的河谷地帶年均氣溫為17.6℃，月平均氣溫最高（7月）28.4℃，最低（1月）6.6℃，日極端最高40.7℃；而海拔千米以上的山區（草魚塘等），年平局氣溫12.8℃，月平均氣溫最高（7月）22.6℃，最低（1月）2.8℃，日極端低溫零下14℃。由于海拔、坡向差異懸殊，氣候垂直差異明顯，一般海拔每升高100m，氣溫下降0.5℃。

境內降水充沛，但時空分布不均。在空間分布上，由于地形變化懸殊，各地多年平均降水量差異較大，一般隨海拔增高逐漸增多，全縣多年平均降水量在1600mm～2100mm之間；在年際分配上，降水主要集中在4月～6月的梅汛期和8月～10月的臺汛期，降雨量約占全年的七成，11月至下一年3月雨水較少。

（五）水文

隧址區屬中亞熱帶季風氣候，植被覆蓋較好，森林覆蓋率達85%以上，其水文性質也較好。一是水位漲落迅速；二是徑流量季節分配不均；三是徑流量年際變化大。勘察區地下水根據含水組地層巖性、地下水的賦存條件、地下水的水動力性質，可分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。

（六）不良地質現象

據高密度電法成果揭露，隧址區發育5條斷裂破碎帶，對隧道圍巖穩定性均有一定影響。

（七）隧道主要技術標準

1.線形：隧道幾何線形與凈空按60km/h設計。隧道照明設計速度按60km/h設計。

2.隧道建筑限界：根據《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）及《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）規定確定二車道建筑限界基本寬度。

3.隧道設計使用年限：主體結構（襯砌、洞門）：100年；可更換、修復構件（水溝、電纜溝槽、蓋板等）：30年。

二、層次分析模型

根據《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》（試行），本文主要采用專家調查法、層次分析法、模糊綜合評判法確定風險源風險等級，如圖1所示。

圖1 隧道整體風險層次分析模型

三、坍塌風險分析

根據坍塌風險源辨識構建塌方風險指標體系，評估小組利用層次分析法確定各風險指標權重。

1.建立判斷矩陣A

表1 判斷矩陣

表1 判斷矩陣

2.利用方根法計算判斷矩陣A的特征向量W

3.計算判斷矩陣A的最大特征根

λmax=6.172

4.判斷矩陣的一致性檢驗

當n=6時，RI=1.24，則：CR=CI/RI=0.028＜0.1

該矩陣通過一致性檢驗，判斷矩陣A的特征向量W為所求得的權重系數。RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，當CR＜0.1時，符合一致性檢驗，判斷矩陣合理。

分別構建第三層指標地形地貌、地質、不良地質、周邊環境、設計方案、施工方案的判斷矩陣，求得第三層指標的權重系數三級指標權重系數，如表2所示。

四、風險評估

涌水突泥風險評估采用層次分析軟件，構建層次分析法模型，如圖2所示。經過比對，確定各級指標權重系數，如表3所示。

隧道設計階段環境保護風險評估。綜合該隧道的各風險事件，結合已有的工程實例，根據專家調查結果，對該隧道發生環境保護風險事故的風險評估成果，如表4所示。

隧道設計階段整體風險評估。根據以上建立的隧道主洞整體風險層次分析模型，計算隧道設計施工風險，如表5所示。經過評估小組討論，結合層次分析法風險分級，確定該隧道整體風險等級為Ⅱ級中度風險，屬于可接受風險。

表2 坍塌風險分析時三級指標權重

表2 坍塌風險分析時三級指標權重

表3 涌水突泥風險評估時三級指標權重

表3 涌水突泥風險評估時三級指標權重

圖2 層次分析矩陣

表4 環境保護風險評估

表4 環境保護風險評估

表5 隧道主洞整體風險各級指標權重及賦值

表5 隧道主洞整體風險各級指標權重及賦值

表6 隧道主洞設計階段整體風險

表6 隧道主洞設計階段整體風險

五、結語

本文采用層次分析法、指標體系法相結合的方法，對隧道進行施工圖階段設計風險評估并得出結論：隧道施工圖設計整體風險為Ⅱ級，中度風險，屬于可接受風險；隧道主要施工風險在于穿越斷層破碎帶期間；防止斷層破碎帶并富存基巖裂隙水的情況，加大斷層區物探范圍，確保施工安全。